KR20060044681A - Microfluidic analytical system with position electrodes - Google Patents
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Abstract
액체 표본(즉, ISF)에서 분석시료(예를 들면, 당분)를 감시하기 위한 미세유체 분석 시스템은, 액체 표본을 수용하고 운송하기 위한 최소한 하나의 미소-채널과, 액체 표본에서 분석시료를 측정하기 위한 최소한 하나의 분석시료 센서, 최소한 하나의 위치 전극을 포함한다. 상기 분석시료 센서(들)와 위치 전극(들)은 상기 미소-채널과 작동상 소통되어 있다. 또한 미세유체 시스템은, 위치 전극(들)의 (임피던스, 저항과 같은) 전기적 특성을 측정하기 위한 측정기를 포함한다. 게다가, 측정된 전기적 특성은, 전기적 특성이 측정되는 위치 전극과 작동상 소통되어 있는 미소-채널에서의 액체 표본의 위치에 따라 좌우된다.Microfluidic analysis systems for monitoring analyte (eg, sugar) in a liquid sample (i.e., ISF) measure at least one micro-channel for receiving and transporting a liquid sample and measuring the sample in the liquid sample. And at least one analyte sensor, at least one position electrode. The sample sensor (s) and position electrode (s) are in operative communication with the micro-channels. The microfluidic system also includes a meter for measuring the electrical properties (such as impedance, resistance) of the position electrode (s). In addition, the measured electrical properties depend on the position of the liquid specimen in the micro-channels in operative communication with the position electrode where the electrical properties are measured.
미세유체 분석 시스템, 미소-채널, 브랜치, 위치 전극, 분석시료 센서 Microfluidic Analysis System, Micro-Channel, Branch, Position Electrode, Analytical Sample Sensor
Description
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 분석 시스템에 대한 개략 단면도와 개념도.1 is a schematic cross-sectional view and conceptual view of a microfluidic analysis system according to an embodiment of the present invention.
도 2는, 도 1의 미세유체 분석 시스템의 몰드 플러그(molded plug)에 대한 개략도.FIG. 2 is a schematic diagram of a molded plug of the microfluidic analysis system of FIG. 1. FIG.
도 3은, 도 1의 미세유체 분석 시스템에 미소-채널 디스크에 대한 개략 상부 평면도.3 is a schematic top plan view of a micro-channel disk in the microfluidic analysis system of FIG.
도 4는, 도 1의 미세유체 분석 시스템에 박막층(laminate layer)에 대한 개략 하부 평면도.4 is a schematic bottom plan view of a laminate layer in the microfluidic analysis system of FIG.
도 5는, 신체로부터 액체 표본을 추출하고 그 표본 내의 분석시료를 감시하기 위한, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예가 사용될 수 있는 시스템을 기술하는 개략 블럭도.5 is a schematic block diagram illustrating a system in which an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention can be used to extract a liquid sample from a body and monitor an analyte in the sample.
도 6은, 점선으로 된 화살표는 기계적 상호작용을 지시하고, 실선으로 된 화살표는 ISF 유동, 혹은 어떤 부재(228)가 관련되었을 때 가압력을 지시하는 상태에서, 사용자의 표피층에 적용되는 도 5의 표본 추출 모듈에 대한 개념도.FIG. 6 shows that the dashed arrows indicate mechanical interaction, while the solid arrows indicate ISF flow, or pressing force when any
도 7은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 위치 전극과 미소-채널, 분석시료 센서, 측정기 구성에 대한 개념도.7 is a conceptual diagram of a configuration of a position electrode and a micro-channel, an analyte sample sensor, and a measuring instrument used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention.
도 8A는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 위치 전극이 미소-채널에 배치될 수 있는 방식을 도시하는 개략 단면도와 개념도.8A is a schematic cross-sectional view and a conceptual diagram illustrating the manner in which a position electrode can be disposed in a micro-channel in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention.
도 8B는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 위치 전극이 표피층을 절연시킴으로써 미소-채널로부터 분리되는 방식을 도시하는 개략 단면도와 개념도.8B is a schematic cross-sectional view and a conceptual diagram showing how the position electrode is separated from the micro-channel by insulating the epidermal layer in an embodiment of the microfluidic analysis system according to the present invention.
도 9는, 위치 탐지기가 분석시료 센서와 전기적으로 소통될 수 있는 방식을 도시하는 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시에서 사용되는 다른 위치 전극과 미소-채널, 분석시료 센서, 측정기 구성에 대한 개략도.FIG. 9 shows the configuration of different position electrodes and micro-channels, analyte sensors, and meter arrangements used in the implementation of a microfluidic analysis system in accordance with the present invention showing the manner in which the position detector may be in electrical communication with an analyte sensor. schematic.
도 10은, 세 개의 위치 전극의 사용을 도시하는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 또 다른 위치 전극과 미소-채널, 분석시료 센서, 측정기 구성에 대한 개략도. 10 is a schematic diagram of another position electrode and micro-channel, analyte sample, meter configuration used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention, illustrating the use of three position electrodes.
도 11은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 위치 전극과, 메인 미소-체널, 브랜치 미소-채널, 분석시료 센서, 측정기 구성에 대한 개략도.11 is a schematic diagram of a configuration of a position electrode used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention, a main microchannel, a branch microchannel, an analytical sample sensor, and a measuring instrument;
도 12는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 다른 위치 전극과 메인 미소-채널, 브랜치 미소-채널, 분석시료 센서, 측정기 구성에 대한 개략도. 12 is a schematic diagram of the configuration of different position electrodes and main micro-channels, branch micro-channels, analyte samples, and meter used in embodiments of the microfluidic analysis system according to the present invention.
도 13은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 위치센서와 미소-채널, 측정기 구성에 대한 개략도.Figure 13 is a schematic diagram of the configuration of the position sensor and the micro-channel, the meter used in the embodiment of the microfluidic analysis system according to the present invention.
도 14는, 도 13의 구성의 일부에 대한 등가 전기회로에 대한 개략도. 14 is a schematic diagram of an equivalent electrical circuit for part of the configuration of FIG. 13.
도 15는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 추가 위치 전극, 미소-채널, 측정기 구성에 대한 개략도.Figure 15 is a schematic diagram of additional position electrode, micro-channel, meter configuration used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention.
도 16은, 도 15의 구성의 일부에 대한 등가 전기회로에 대한 개략도.FIG. 16 is a schematic diagram of an equivalent electrical circuit for part of the configuration of FIG. 15. FIG.
도 17은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 다른 위치 전극, 미소-채널, 측정기 구성에 대한 개략도.Figure 17 is a schematic diagram of a different position electrode, micro-channel, meter configuration used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention.
도 18은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 또 다른 위치 전극, 미소-채널, 측정기 구성에 대한 개략도.18 is a schematic diagram of another position electrode, micro-channel, meter configuration used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention.
도 19는, 도 18의 구성의 일부에 대한 등가 전기회로에 대한 개략도.FIG. 19 is a schematic diagram of an equivalent electrical circuit for part of the configuration of FIG. 18. FIG.
도 20은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 또 다른 위치 전극, 미소-채널, 측정기 구성에 대한 개략도.20 is a schematic diagram of another position electrode, micro-channel, meter configuration used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention.
도 21은, 어드미턴스(admittance) 대 볼러스(bolus) 넘버에 대한 도표.FIG. 21 is a plot of admittance vs. bolus number. FIG.
본 발명은 일반적으로 분석 장치에 관한 것으로, 특히 미세유체(microfluidic) 분석 시스템에 관한 것이다.The present invention generally relates to analytical devices, and more particularly to microfluidic analysis systems.
액체 표본에 기초를 둔 분석 장치(즉, 유체 분석 장치)에 있어서, 신뢰성 있는 분석 결과를 얻기 위해, 필수 액체 표본은 고정밀도와 고정확도로 제어되어야 한다. 이러한 제어는, 소량의 액체, 예를 들면 10 나노리터에서 10 마이크로리터에 해당하는 체적의 액체 표본을 사용하는 "미세유체 " 분석 장치에 대해 특히 보장되어야 한다. 상기 미세유체 분석 장치에서, 상기 액체 표본은 전형적으로, 예를 들면 대략 10 마이크로미터 내지 500 마이크로미터 크기를 갖는 미소-채널에 보관되고 운반된다. In an analysis device based on a liquid sample (ie, a fluid analysis device), in order to obtain a reliable analysis result, the essential liquid sample must be controlled with high precision and high accuracy. This control should be particularly ensured for “microfluidic” analytical devices that use a small amount of liquid, for example a volume of liquid sample corresponding to 10 nanoliters to 10 microliters. In the microfluidic analysis device, the liquid sample is typically stored and transported in a micro-channel having a size of, for example, approximately 10 micrometers to 500 micrometers.
미소-채널 내부에서 소량 액체 표본의 제어(즉, 운반, 위치 검출, 유속 결정 및/혹은 체적 결정)는, 세포간 유체(interstitial fluid, ISF)에서의 당분(glucose) 농도 결정을 포함하는 다양한 분석 과정의 성과에 필수적인 것이 될 수 있다. 예를 들면, 신뢰성 있는 결과를 얻는 것은, 분석이 시작되기 전에 액체 표본이 탐지 지역에 도착해 있다는 것을 확실히 하기 위해, 액체 표본 위치에 관한 정보를 필요로 할 수 있다. 그러나, 미세유체 분석 장치에서의 상대적으로 소량의 액체 표본과 미소-채널은, 상기 제어를 어렵게 만든다. Control of small volumes of liquid samples (ie transport, position detection, flow rate determination and / or volume determination) within the micro-channels can include various assays, including determination of glucose concentrations in interstitial fluids (ISFs). It can be essential to the performance of the process. For example, obtaining reliable results may require information about the liquid sample location to ensure that the liquid sample arrives at the detection zone before the analysis begins. However, relatively small amounts of liquid samples and micro-channels in microfluidic analysis devices make this control difficult.
혈당(blood glucose) 감시를 위한 분석 시스템의 맥락에서, 연속 혹은 반연속 감시 시스템과 방법은, 상기 시스템과 방법이 혈당 농도 경향과, 혈당 농도에 대한 음식물과 약물의 영향, 사용자의 전반적인 혈당제어(glycemic control)에 관한 강화된 관찰력을 제공한다는 점에서 유리하다. 연속 혹은 반연속 혈당 감시 시스템의 과제는, 단지 소량의 액체 표본(즉, 약 250 나노리터의 ISF 액체 표본)이 일반적으로 혈당 농도 측정에 대해 적용가능하다는 점이다. 게다가, 소량의 액체를 목표 지점으로부터 생체 내 혈당 감시장치로, 제어된 유속으로 그리고 추출된 유체의 위치와 전체 유량에 대한 정보가 제공되는 방식으로 운반하는 것은 어려운 일이다. In the context of an analytical system for blood glucose monitoring, continuous or semi-continuous monitoring systems and methods are characterized by the system and method of blood glucose concentration trends, the effects of food and drugs on blood glucose levels, and the overall blood sugar control of the user. It is advantageous in that it provides enhanced observations regarding glycemic control. The challenge of a continuous or semicontinuous blood glucose monitoring system is that only a small amount of liquid sample (ie, about 250 nanoliter ISF liquid sample) is generally applicable for blood glucose concentration measurements. In addition, it is difficult to transport a small amount of liquid from the target point to the in vivo blood glucose monitor, at a controlled flow rate, and in a manner that provides information about the location and total flow rate of the extracted fluid.
그러므로, 소량의 액체 표본 제어와 또는 상기 기술된 문제를 완화시키는 미세유체 분석 시스템이 상기 분야에 요구된다. Therefore, there is a need in the art for microfluidic analysis systems that control small amounts of liquid samples and / or alleviate the problems described above.
본 발명의 실시예에 따른 미세유체 분석 시스템은 소량의 액체 표본 제어를 가능하게 하고, 또는 상기 기술된 문제를 완화시킨다.The microfluidic analysis system according to an embodiment of the present invention enables control of small amounts of liquid samples, or alleviates the problems described above.
본 발명의 실시예에 따른, 분석시료(analyte)(즉, 혈당)를 액체 표본(즉, ISF)에서 감시하기 위한 미세유체 분석 시스템은, 액체 표본을 수용하고 이동시키기 위한 최소한 하나의 미소-채널과, 액체 표본에서 분석시료를 측정하기 위한 최소한 하나의 분석시료 센서, 최소한 하나의 위치 전극을 구비한 분석 모듈을 포함한다. 상기 분석시료 센서(들)와 위치 전극(들)은 미소-채널과 작동상 소통(operative communication)된다. A microfluidic analysis system for monitoring analyte (ie, blood glucose) in a liquid sample (ie, ISF), according to an embodiment of the present invention, includes at least one micro-channel for receiving and moving a liquid sample. And an analysis module having at least one analyte sensor and at least one position electrode for measuring the analyte in the liquid sample. The sample sensor (s) and position electrode (s) are in operative communication with the micro-channels.
또한 미세유체 분석 시스템은, 위치 전극(들)의 전기적 특성(즉, 임피던스 혹은 저항)을 측정하도록 구성된 측정기를 포함한다. 예들 들면, 상기 측정기는, 단일 위치 전극의 양 단부 사이의 전기적 특성(즉, 저항)을 측정하거나 혹은 두 위치 전극들 사이의 전기적 특성(즉, 임피던스)을 측정할 수 있다.The microfluidic analysis system also includes a meter configured to measure the electrical properties (ie, impedance or resistance) of the position electrode (s). For example, the meter may measure electrical characteristics (ie, resistance) between both ends of a single position electrode or measure electrical characteristics (ie, impedance) between two position electrodes.
게다가, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서, 측정된 전기적 특성은, 전기적 특성이 측정되는 위치 전극과 작동상 소통된 미소-채널에서의 액체 표본의 위치에 따라 좌우된다. 예를 들면, 측정된 임피던스의 변화는, 하나 이상의 위치 전극들에 대한 미소-채널에서의 전달 액체 표본의 전면 위치에 따라 좌우된다. In addition, in an embodiment of a microfluidic analysis system according to an embodiment of the present invention, the measured electrical properties depend on the position of the liquid sample in the micro-channel in operative communication with the position electrode where the electrical properties are measured. For example, the change in measured impedance depends on the front position of the delivery liquid sample in the micro-channel relative to one or more position electrodes.
본 발명의 실시예에 따른 미세유체 분석 장치는, 미소-채널에서의 액체 표본 위치에 따라 좌우되는 전기적 특성을 측정하는 측정기를 포함하기 때문에, 상기 측정은 정확한 액체 표본 위치 탐지와, 액체 표본 유속 결정 및/혹은 액체 표본 유량 결정을 가능하게 한다.Since the microfluidic analysis device according to the embodiment of the present invention includes a measuring device for measuring an electrical property depending on the position of the liquid sample in the micro-channel, the measurement includes accurate liquid sample position detection and liquid sample flow rate determination. And / or liquid sample flow rate determination.
도시된 실시예를 기술하는 이어질 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명의 특징과 이점에 대해 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.A better understanding of the features and advantages of the present invention may be obtained by reference to the following detailed description describing the illustrated embodiments.
도 1 내지 도 4는, 본 발명의 실시예에 따른 액체 표본에서 분석시료를 결정(분석시료 감지 및/혹은 분석시료의 농도 측정)하기 위한 미세유체 분석 시스템(100)을 기술한다. 1 through 4 illustrate a
미세유체 분석 시스템(100)은, 액체 표본(즉, 목표 위치의 피부 조직으로부터 추출된 ISF 표본)을 수용하고 운반하기 위한 미소-채널(104)과, 액체 표본에서 분석시료(즉, 당분)를 측정하기 위한 분석시료 센서(106)(즉, 전기화학적 분석시료 센서 혹은 광학 분석시료 센서)를 구비한 분석 모듈(102)과, 그리고 제 1 과 제 2 위치 전극(108, 110)을 포함한다. 도 1 내지 도 4의 실시예에서, 미소-채널(104)은, 센서전(pre-sensor) 미소-채널부(104a)와 센서후(post-sensor) 미소-채널부(104b)를 포함한다. 또한 미세유체 분석 시스템(100)은 센서 챔버(105)를 포함하고, 이 챔버 내부에서 분석시료 센서(106)가 배치된다. The
미세유체 분석 시스템(100)은, 제 1 위치 전극(108)과 제 2 위치 전극(110) 사이의 임피던스를 측정하기 위한 측정기(112)를 추가로 포함하고, 이는 측정된 임 피던스가 미소-채널(104)에서 (도 1 내지 도 4에서 도시되지 않은) 액체 표본의 위치에 따라 좌우되는 상태로 이루어진다. The
일반적으로, 본 발명의 실시예에서 위치 전극들 사이의 임피던스 혹은 옴 저항(ohmic resistance)을 측정하는 것은, 이들 사이에 전압을 가하여 결과 전류를 측정함으로써 이루어질 수 있다. 정전압 또는 교류 전압 중의 하나가, 위치 센서들 사이에 가해지고, 발생된 직류전류(DC) 혹은 교류전류(AC)가 각각 측정된다. 그 후에 상기 발생된 직류전류 혹은 교류전류는 임피던스 혹은 옴 저항을 계산하는데 사용될 수 있다. 게다가, 본 기술분야의 지식을 가진 사람(이하 당업자)은, 임피던스 측정이 옴 강하(즉, 옴 단위의 저항[R], 혹은 전압/전류)를 측정하는 것과 전기 용량(패럿단위의 전기용량 혹은 쿨롬(coulombs)/전압)을 측정하는 것을 포함할 수 있다는 사실을 인식할 것이다. 실제로, 임피던스는, 예들 들면, 교류전류를 위치 전극(들)에 가하고 그 결과 전류를 측정함으로써 측정될 수 있다. 교류전류의 서로 다른 주파수에서, 저항 혹은 전기 용량의 효과 중의 하나는 측정된 임피던스를 결정할 때 우세하게 작용할 수 있다. 순수한 저항 요소는, 저수파수에서 우세하게 작용하고, 반면에 순수한 전기 용량 요소는 고주파수에서 우세하게 작용할 수 있다. 저항 혹은 전기 용량 요소들 사이를 구분하기 위해, 가해진 교류전류와 측정된 결과 전류 사이의 위상차가 결정될 수 있다. 위상 변화가 0이라면, 순수 저항 요소가 우세하게 작용한다. 위상 변화가, 전류가 전압에 대해 처져있음(lag)을 지시한다면, 전기 용량 요소가 중요하다. 그러므로 가해진 교류전류의 주파수와 위치 전극구성에 따라 좌우되기 때문에, 저항 혹은, 저항과 전기 용량의 조합을 측정하는 것 이 유익하다. In general, measuring impedance or ohmic resistance between position electrodes in an embodiment of the present invention can be accomplished by applying a voltage between them and measuring the resulting current. One of the constant voltage or the alternating voltage is applied between the position sensors, and the generated direct current (DC) or alternating current (AC) is respectively measured. The generated direct current or alternating current can then be used to calculate impedance or ohmic resistance. In addition, one of ordinary skill in the art (hereinafter, skilled in the art) is aware that impedance measurement can measure ohmic drop (i.e. resistance in ohms [R], or voltage / current) and capacitance (farad capacitance or It will be appreciated that it may include measuring coulombs / voltage). In practice, the impedance can be measured, for example, by applying an alternating current to the position electrode (s) and consequently measuring the current. At different frequencies of alternating current, one of the effects of resistance or capacitance can act predominantly in determining the measured impedance. Pure resistive elements predominately work at low frequencies, while pure capacitive elements may predominately work at high frequencies. To distinguish between resistance or capacitive elements, the phase difference between the applied alternating current and the measured resulting current can be determined. If the phase change is zero, the purely resistive element prevails. If the phase change indicates that the current is sagging with respect to the voltage, the capacitive component is important. Therefore, it is beneficial to measure the resistance, or the combination of resistance and capacitance, because it depends on the frequency of the alternating current and the position electrode configuration.
도 1 내지 도 4의 실시예에서, 임피던스 측정은, 예를 들면, 교류전압을 제 1 위치 전극(108)과 제 2 위치 전극(110) 사이에 가하고 그 결과 교류전류를 측정함으로써 이루어질 수 있다. 제 1 위치 전극(108)과 제 2 위치 전극(110)은 (제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이의 미소-채널(104) 내부에 어떤 물질[즉, 공기 혹은 액체 표본]을 가진 그리고, 이들 물질과 직접 접촉으로부터 위치 전극을 분리시킬 수 있는 어떤 층을 가진) 축전기(capacitor)의 일부분이기 때문에, 측정된 전류는 임피던스를 계산하는데 사용될 수 있다. 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이의 미소-채널(104)에서 액체 표본의 존재 유무는 측정된 전류와 임피던스에 영향을 미칠 것이다. In the embodiment of FIGS. 1-4, impedance measurement can be made, for example, by applying an alternating voltage between the
제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이에 가해진 교류전압의 주파수와 진폭은 예정될 수 있어서, 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이의 액체 표본의 존재는 측정된 전류의 뚜렷한 증가로서 감지될 수 있다. The frequency and amplitude of the alternating voltage applied between the first and second position electrodes can be predetermined such that the presence of a liquid sample between the first and second position electrodes can be detected as a marked increase in the measured current. have.
임피던스와 저항 측정에 대해, 가해진 전압의 크기는, ISF 액체 표본과 탄소-기반 혹은 은-기반 잉크 위치 전극 환경에 대해, 예를 들면, 약 10 mv ~ 2 V의 범위에 존재할 수 있다. 가해진 전압 범위의 상한과 하한은, 상기 액체 표본의 전기 분해 혹은 전기화학적 분해의 개시에 따라 좌우된다. 교류전압이 사용되는 환경에서, 상기 교류전압은, 예를 들면, 어떤 전기화학적 반응으로 액체 표본에 무시할 수 있을 정도의 실변화(net change)를 일으킬 수 있는 주파수로 가해진다. 이러한 주파수 범위는 전압 파형이 0 Volts를 중심으로 대칭형이 되는(즉, 상기 교류전압 의 RMS값은 대략적으로 0이다), 예를 들면, 약 10Hz ~ 100 kHz가 될 수 있다.For impedance and resistance measurements, the magnitude of the applied voltage may be in the range of, for example, about 10 mv to 2 V for the ISF liquid sample and the carbon-based or silver-based ink position electrode environment. The upper and lower limits of the applied voltage range depend on the onset of electrolysis or electrochemical decomposition of the liquid sample. In an environment where an alternating voltage is used, the alternating voltage is applied at a frequency that, for example, can cause negligible net change in the liquid sample in some electrochemical reaction. This frequency range can be about 10 Hz to 100 kHz, where the voltage waveform is symmetric about 0 Volts (ie, the RMS value of the AC voltage is approximately 0).
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 분석시료 센서(106), 제 1 위치 전극(108) 그리고 제 2 위치 전극(110)은 각각 미소-채널과 작동상 소통된다. 본 발명의 실시예에서 사용된 위치 전극들이, 당업자들에게 공지된, 분석 전극 물질로서 통상적으로 사용되는 전도 물질과, 특히 가요성 회로(flexible circuit), 사진식각 제조(photolithographic manufacturing) 기술, 스크린 인쇄(screen printing) 기술과 플렉소 인쇄(flexo-printing) 기술에 사용하기에 적절한 것으로 공지된 전도 물질을 포함하는 어떤 적절한 전도 물질로 형성될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 적절한 전도 물질은, 예를 들면, 탄소, 귀금속(noble metal)(즉, 금, 백금 그리고 팔라듐), 귀금속 합금, 전도 전위-형성 금속 산화물(conductive potential-forming metal oxide)과 금속염(metal salt)를 포함한다. 위치 전극은, 예를 들면, 상업적으로 입수가능한 전도성 은재 잉크인 Electrodag 418 SS와 같은 전도성 은재 잉크로부터 형성될 수 있다. As shown schematically in FIG. 1, the
도 1 내지 도 4의 실시예에서, 분석 모듈(102)은 몰드 플러그(114)와 미소-채널(116), 박막층(118)(도 2과 도 3, 도 4에 각각 개별적으로 도시됨)을 추가로 포함한다. 분석 모듈(102)은, 예를 들면, 미소-채널 디스크(116)를 박막층(118)과 몰드 플러그(114)에 연결시킴으로써 구성될 수 있다. In the embodiment of FIGS. 1-4, the
몰드 플러그(114)는 입구 채널(120)과 등록 폴(registration pole, 122)을 포함한다. 미소-채널 디스크(116)는, 전술한 미소-채널(104)과 센서 챔버(105)뿐만 아니라 액체 표본 폐기물 저장소(124)를 (박막층(118)과 함께) 한정하도록 구성된 다. 게다가, 미소-채널 디스크(116)는 (예를 들면, 도 3에서 보듯이) 등록 홀(registration hole, 126)을 포함한다. The
박막층(118)은 접속 홀(access hole, 128), 막 밸브(membrane valve, 130)를 포함하고, 그리고 도 1 내지 도 4의 실시예에서 전술한 분석시료 센서(106)와 제 1 위치 전극(108)과 제 2 위치 전극(110)을 포함한다.The
미소-채널(104)은, 유체의 유동 방향에 수직이고, (즉 높이와 넓이가) 약 10마이크로미터 내지 약 500마이크로미터의 범위에 해당하는 단면 크기를 갖는다. 본 발명의 실시예의 미소-채널(들)에서 처리될(handled) 전형적인 액체 표본 체적은, 약 10 나노리터 내지 약 10마이크로리터의 범위에 해당된다. 이러한 점에서, "처리(handled)"라는 용어는, 목표 위치에서 추출되어 격리된 액체 표본 체적(50 나노리터 내지 250 나노리터 범위의 격리된 체적)과, 분석시료 센서에 요구되는 최소 액체 표본 체적(예를 들면, 50 나노리터) 그리고 미세유체 분석 시스템의 가용 전체 수명 동안 미소-채널을 통해 전달될 전체 액체 표본 체적(예를 들면, 대략 10 마이크로리터의 총 체적)에 한정되는 것이 아닌 이들을 포함하는 다양한 액체 표본 체적의 운반에 관련된다. The micro-channel 104 is perpendicular to the flow direction of the fluid and has a cross-sectional size (ie, in height and width) that ranges from about 10 micrometers to about 500 micrometers. Typical liquid sample volumes to be handled in the micro-channel (s) of an embodiment of the present invention range from about 10 nanoliters to about 10 microliters. In this regard, the term “handled” refers to the liquid sample volume (separated volume in the range of 50 nanoliters to 250 nanoliters) extracted and sequestered at the target location and the minimum liquid sample volume required for the analyte sensor. (E.g., 50 nanoliters) and those not limited to the total volume of liquid sample (e.g., approximately 10 microliters total volume) to be delivered through the micro-channel during the useful lifetime of the microfluidic analysis system. Is involved in the transport of various liquid sample volumes.
몰드 플러그(114)의 등록 폴(122)은, 미세유체 분석 시스템(100)의 생산 동안 몰드 플러그(114)와 미소-채널 디스크(116)의 적절한 정렬(즉, 등록)을 보장하는데 사용된다. 예를 들면, 이러한 배열은, 분석시료 센서(106)가 센서 챔버(105)와 유효하게 정렬되도록, 그리고 제 1 위치 전극(108)과 제 2 위치 전극(110)이 센서후 미소-채널부(104b)에 정렬되도록 보장해야 한다. 상기 생산 동안, 상기 박막 층(118)은, 이 박막층(118) 및/혹은 미소-채널 디스크(116)에 포함된 등록 특성을 이용해서 혹은 광학적 확인법에 의해 미소-채널 디스크(116)와 정렬될 수 있다. The
미소-채널 디스크(116)의 등록 홀(registration hole, 126)은, 반원형태를 취하고 미소-채널(116)의 전체를 통해 연장된 것으로 도시되어 있다. 등록 폴(122)은, 등록 홀(126)에 보완적인 형태와 크기를 취하고, 그래서 도 1에 도시된 바와 같이 몰드 플러그(114)와 단단히 결합하도록 하기 위해 미소-채널에 제공된다. 등록 홀(126)과 등록 폴(122) 모두에 대한 반원형태의 사용은, 몰드 플러그(114)와 미소-채널 디스크(116) 결합의 회전 자유도를 유리하게 제한한다. 상기 반원형태 외의 다른 대안적인 형태가 또한 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. The
도 1 내지 도 4에 도시되진 않았지만, 박막층(118)은, 분석시료 센서(106)를 (도 5에 관해 아래와 같이 기술된 국지 제어기 모듈과 같은) 외부 장치에 전기적으로 연결시키고, 제 1 위치 전극(108)과 제 2 위치 전극(110)을 측정기(112)에 전기적으로 연결시키기 위한 전기 연결을 포함한다. 이러한 전기 연결은, 예를 들면, 도전성 트레이스(conductive trace)와 전기적 접촉 패드를 포함한다. Although not shown in FIGS. 1-4, the
액체 표본(즉, ISF 표본)은 입구 채널(120)로, 도 5에 관해 아래에서 설명할 표본 추출 모듈과 같은 적절한 수단에 의해 운반된다. 입구 채널(120)을 통과하는 액체 표본의 유동은 막 밸브(130)에 의해 제어된다. 상기 막 밸브 외의 다른 형태의 밸브들이 사용될 수 있고, 이는 당업자에게 잘 공지되어 있다는 점에 유의해야 한다. The liquid sample (ie, ISF sample) is conveyed to the
도 1의 실시예에서, 막 밸브(130)는 변형가능하고, 돔 형태로 이루어진 탄성 물질로 구성된다. 막 밸브(130)가 변형되지 않은 상태일 때, 액체 표본은 막 밸브(130)를 통과해서 흐를 수 있고, 센서전 미소-채널부(104a)를 채우게 된다. 그러나, 막 밸브(130)가 (예를 들면, 접속 홀(128)을 통해 압력에 의해) 초기에 변형될 때, 입구 채널(120)은 차단되고 이를 통한 액체 표본의 유동은 중단된다. 게다가, 막 밸브(130)의 추가 변형으로, 액체 표본은 센서전 미소-채널부(104a)를 통해 센서 챔버(105)로 밀려나게 된다. 막 밸브를 통과한 액체 표본의 이동(즉, 입구 채널(120)로부터 센서전 미소-채널부(104a)로의 이동)은, 막 밸브가 변형될 때 가해진 압력의 크기로 제어될 수 있다. 미소-채널로 유입되는 전형적인 액체 표본 유동속도는 분당 약 10 나노리터 내지 분당 약 1000 나노리터의 범위에 속한다. In the embodiment of FIG. 1, the
측정기(112)와 함께 제 1 위치 전극들(108)과 제 2 위치 전극들(110)은, 막 밸브(130)의 변형 제어를 돕기위해, 미소-전극(104) 내부에서의 액체 표본의 위치와, 액체 표본의 유동속도 및/혹은 추출된 액체 표본의 체적을 결정하는데 사용될 수 있다. 언제 최소량의 액체 표본이 분석시료 결정을 초기화하도록 분석 모듈(102)로 수집되는가를 확인하기 위해 액체 표본 위치를 결정하는 것이 유익하다. 또한 반 연속적으로 중단된 유동 측정(일시적으로 중단된 액체 표본 유동으로 이루어지고, 연속 측정이 아닌 시간당 예정된 횟수의 측정[전형적으로 시간당 4 내지 10 회의 측정]이되는 측정)을 용이하게 하는 방식으로 막 밸브(130)를 제어하기 위해, 액체 표본 유동속도 및/혹은 미세유체 분석 시스템(100)으로 유입된 액체 표본의 총량을 예정된 시기에 걸쳐 결정하는 것이 유익하다. 게다가, 액체 표본 유동속도와 액체 표본의 총량을 결정하는 것은 센서의 보정(compensation)을 늦추게 할 수 있다. 또한 분석시료 센서(106)는 유속에 대해 민감할 수도 있다. 그러므로, 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극, 그리고 측정기(112)의 사용은 시스템(100)이, 예를 들면 약 8시간과 같이 연장된 시기에 걸쳐 좀더 정확하게 분석시료를 결정할 수 있도록 해준다. The
도 1 내지 도 4의 실시예에서, 분석시료 센서(106)는 센서 챔버(105)의 내부에 배치된다. 분석시료 센서(106)는, 당업자에게 공지된 어떠한 적절한 센서라도 될 수 있다. 관심있는 분석시료가 당분인 환경에 대해, 분석시료 센서(106)는, 당분 농도에 비례하는 전류를 측정하는 전기화학적 당분 센서가 될 수 있다. 특히, 분석시료 센서(106)는, 예를 들면, 중단된 유동 조건(즉, 측정 동안 유속이 0이거나 이에 가까운 경우) 하에서 전류를 측정하고 이 당분은 센서 챔버(105) 내부에서 소모되는 전기화학적 당분 센서가 될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 분석시료 센서의 예는, 전기화학적 기반의 분석시료 센서와 광측정 기반(photometric-based)의 분석시료 센서를 포함하며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 전기화학적 기반의 분석시료 센서는, 예를 들면, 전류측정방식(amperometric), 전위측정방식(potentiometric), 전하량측정방식(coulometric) 분석시료 센서를 포함한다. 광측정 기반 분석시료 센서는, 예를 들면, 광투과(transmission), 반사, 비색검출(colorimetric), 형광분석(fluorometric), 광산란(scattering) 그리고 광흡수(absorbance) 분석시료 센서를 포함한다.In the embodiment of FIGS. 1-4, the
액체 표본에서 분석시료가 분석시료 센서(106)에 의해 결정된 후에, 이 액체 표본은 센서후 미소-채널부(104b)로 전달된다. After the analytical sample in the liquid sample is determined by the
당업자는, 본 발명의 실시예에 따른 분석시료 감시 시스템이, 예를 들면 여러 장치의 하부시스템으로서 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들면, 본 발명에 따른 실시예는 도 5에 도시된 시스템(200)의 분석 모듈로서 사용될 수 있다. 시스템(200)은 신체의 액체 표본(즉, ISF 표본)을 추출하고, 이로부터 분석시료(즉, 당분)를 감시하도록 구성된다. 시스템(200)은 (점선으로 표시된 박스로 둘러싸인) 일회용 카트리지(212)와 국지 제어기 모듈(214), 원격 제어 모듈(216)을 포함한다.Those skilled in the art will appreciate that an analyte sample monitoring system according to an embodiment of the present invention may be used, for example, as a subsystem of several devices. For example, an embodiment according to the present invention may be used as an analysis module of the
시스템(200)에서, 일회용 카트리지(212)는, 신체(B, 예를 들면 사용자의 피부층)로부터 액체 표본(즉, ISF)을 추출하기 위한 표본 추출 모듈(218)과, 신체로부터 추출된 유체에서 분석시료(즉, 당분)를 측정하기 위한 분석 모듈(220)을 포함한다. 표본 추출 모듈(218)은 당업자에게 공지된 어떤 적절한 표본 추출 모듈이라도 될 수 있고, 반면에 분석 모듈(220)은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 분석 시스템이 될 수 있다. 적절한 표본 추출 모듈의 예는 (2002년 6월 27일 국제공보 제 02/49507호에 공개된) 국제특허출원 제 PCT/GB01/05634호와, 본 발명의 참조로서 전체가 인용된 미국특허출원 제 10/653,023호에 기술되어 있다. 그러나, 시스템(200)에서, 표본 추출 모듈(218)은, 일회용 카트리지(212)의 구성요소이기 때문에 일회용으로 사용되도록 구성된다.In the
도 6에 도시된 바와 같이, 시스템(200)의 표본 추출 모듈(218)은, 신체(B)의 목표 위치로의 침투하여 ISF 표본을 추출하기 위한 침투 부재(222) ISF 표본 추출 모듈과, 개시 구조(launching mechanism, 224), 최소한 하나의 압력링(228)을 포함 한다. 표본 추출 모듈(218)은, ISF 표본에서 (당분과 같은) 분석시료의 감시(즉, 농도 측정)를 위해, 분석 시스템(220)에 ISF의 연속 혹은 반연속 유동을 제공하기에 적합하다. As shown in FIG. 6, the
시스템(200)을 사용하는 동안, 침투 부재(222)는 개시 구조(224)의 작동에 의해 목표 위치로 삽입된다(즉, 목표 위치를 관통한다). 사용자의 피부층으로부터 ISF 표본을 추출하기 위해, 침투 부재(222)는, 예를 들면 1.5mm 내지 3mm의 범위에 해당하는 최대 삽입 깊이까지 삽입될 수 있다. 게다가, 침투 부재(222)는, 연속 혹은 반연속 방식으로 ISF 표본의 추출을 최적하도록 구성될 수 있다. 이러한 점에서, 침투 부재(222)는, 예를 들면, 게이지(25)와, (도 5와 도 6에 도시되지 않은) 구부려진 팁(bent tip)을 가진 박형(thin-wall) 스테인레스강 너들(needle)을 포함하고, 이 구부러진 팁의 지지부는 니들의 팁과 니들의 끝단부 사이에 배치된다. 침투 부재로 사용되기에 적절한 니들은, (2003년 3월 7일 미국공개공보 제 2003/0060784호에 공개된) 미국특허출원 제 10/185,605호에 기술되어 있다. 게다가, 시스템(200)에 대한 추가 세부사항은 미국특허출원 제 10/718,818호에 존재한다. While using the
도 1 내지 도 4의 실시예에서, 제 1 위치 전극(108)과 제 2 위치 전극(112)은, 두 위치 전극들이 미소-채널(104)에 대해 분석시료 센서(106)의 하류에 존재하도록 구성된다. 그러나, 다른 적절한 구성이 적용될 수 있다. 예를 들면, 도 7은, 위치 전극, 미소-채널, 분석시료 센서 그리고 측정기로 이루어진, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는 구성(300)에 대한 개략도이다. 상기 구성(300)은, 제 1 위치 전극(302), 제 2 위치 전극(312), 전기적 임피던스 측정기(306), 타이머(308), 미소-채널(310) 그리고 분석시료 센서(312)를 포함한다. 도 7의 구성에서, 물결모양의 선들은 미소-채널(310) 내부의 액체 표본(즉, ISF, 혈액, 소변, 혈장(plasma), 혈청(serum), 완충제(buffer) 혹은 시약(reagent) 액체 표본)을 도시한다. 1 to 4, the
상기 구성(300)은 미소-채널(310)에서 액체 표본의 위치 혹은 유속을 결정하는데 사용될 수 있다. 도 7의 구성에서, 분석시료 센서(312)는 제 1 위치 전극(302)과 제 2 위치 전극(304)의 사이에 위치된다. 전기적 임피던스 측정기(306)는, 제 1 위치 전극(302)과 제 2 위치 전극(304) 사이의 전기적 임피던스를 측정하기에 적합하다. 이러한 측정은, 예를 들면, 직류 혹은 교류전압을 제 1 위치 전극(302)과 제 2 위치 전극(304) 사이에 가하기 위해 전원을 적용함으로써 이루어질 수 있어서, 미소-채널 내부의 액체 표본에 의해 형성된 도전성 경로로 발생된, 제 1 위치 전극(302)과 제 2 위치 전극(304) 사이의 임피던스가 측정될 수 있고, 이것은 액체 표본의 존재에 대한 신호 표시로서 구현된다. The
게다가, 전기적 임피던스 측정기(306)가, 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이의 액체 표본의 존재로 인한 임피던스의 변화를 측정할 때, 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이에 액체가 최초로 출현한 시간을 기록하기 위해 신호가 타이머(308)로 전달될 수 있다. 측정된 임피던스가, 액체 표본이 제 2 위치 전극에 도달하였음을 지시할 때, 다른 신호가 타이머(308)로 전달될 수 있다. 액체 표본이 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이에 최초로 출현한 시간과 액체 표본이 제 2 위 치 전극에 도달한 시간의 차이는, 액체 표본의 유속(제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이에서 미소-채널의 체적에 대한 정보가 주어진 경우)을 결정하는데 사용될 수 있다. 게다가, 액체 표본의 유속 및/혹은 액체 표본의 위치에 대한 정보는 전체 액체 표본의 총량을 결정하는데 사용될 수 있다. 또한, 액체 표본이 제 2 위치 전극(304)에 도달한 시간상 위치를 나타내는 신호는, 막 밸브(130)에 대한 적절한 변형 상태를 결정하는데 사용하기 위해 국지 제어 모듈(즉, 도 5의 국지 제어 모듈(214))로 전송될 수 있다. In addition, when the
도 8A는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 위치 전극이 미소-채널과 작동상 소통될 수 있는 방식에 대한 개략 단면도이다. 도 8A는, (단면으로 나타낸) 미소-채널(350), 미소-채널 디스크(352), 위치 전극(354), 박막층(356) 그리고 측정기(358)를 도시한다. 도 8A의 구성에서, 위치 전극(354)은 미소-채널(350)과 작동상 소통되어서, 위치 전극(354)의 표면(360)은 미소-채널(350)에서 (도 8A에 물결모양의 선들로 도시된) 액체 표본에 노출된다.8A is a schematic cross-sectional view of how a position electrode can be in operative communication with a micro-channel in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention. 8A shows the micro-channel 350 (shown in cross section), the
도 8A의 실시예(그리고 본 발명의 다른 실시예)에서, 미소-채널 디스크(352)와 박막층(356)은, 예를 들면, 고분자(polymeric) 절연 물질(즉, 폴리스티렌, 실리콘 라버, PMMA, 폴리카보네이트 혹은 PEEK)과, 유리 등의 비고 분자 절연 물질과 같은 전기적으로 절연인 물질로 구성된다. In the embodiment of FIG. 8A (and other embodiments of the present invention), the
도 8B는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 위치 전극이 미소-채널과 작동상 소통할 수 있는 다른 방법을 나타낸 (도 8A와 같은 참조번호를 사용하는) 개략 단면도이다. 도 8B는, (단면으로 나타낸) 미소-채널(350), 미소-채 널 디스크(352), 위치 전극(354), 박막층(356) 그리고 측정기(358)를 도시한다. 도 8B의 구성에서, 위치 전극(354)은 미소-채널(350)과 작동상 소통하지만, 절연층, 즉 박막층의 일부분에 의해 미소-채널(350)과 분리되어 있다. 도 8B에 도시된 방식의 이점은, 미소-채널(350) 내의 액체 표본과 위치 센서(354) 사이에 직접 접촉이 없어서, 결과적으로 위치 전극(354)으로 인한 액체 표본의 어떠한 전기분해 혹은 전기화학적 분해도 발생할 수 없다는 점이다. FIG. 8B is a schematic cross-sectional view (using reference numerals such as FIG. 8A) showing another way in which a position electrode can be in operative communication with a micro-channel in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention. FIG. FIG. 8B shows the micro-channel 350 (shown in cross section), the
도 9는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에 사용되는 다른 미소-채널, 분석시료 센서 그리고 위치 전극으로 이루어진 구성(400)에 대한 개념도이다. 상기 구성(400)은, 제 1 위치 센서(402), 제 2 위치 센서(404), 전기적 임피던스 측정기(406), 타이머(408) 그리고 분석시료 센서(412)를 포함한다. 도 9의 구성에서, 물결모양의 선들은 미소-채널(410) 내부의 액체 표본(즉, ISF, 혈액, 소변, 혈장, 혈청, 완충제 혹은 시약 액체 표본)을 도시한다. 9 is a conceptual diagram of a
도 9의 실시예에서, 제 1 위치 전극(402)과 분석시료 센서(412)는 모두 국지 제어 모듈(214)과 작동상 소통되어 있다. 이러한 방식으로 제 1 위치 전극은 위치 전극으로서 그리고 (분석시료 센서(412)가 전기화학적 기반의 분석시료 센서로 가정할 때) 분석시료 센서(412)를 위한 기준 전극으로서 역할을 할 수 있다. 게다가, 전기적 임피던스 측정기(406)와 타이머(408)는 국지 제어 모듈(214)에 병합될 수 있다는 점에 유의해야 한다.In the embodiment of FIG. 9, both the
도 9의 구성의 장점은, 위치 전극과 분석시료 센서(412)를 위한 기준 전극으로서 제 1 위치 전극을 사용함으로써 이루어지는 감소된 복잡성이다. 도 9의 구성 에서, 제 1 위치 전극(402)은, 예를 들면, 제 1 위치 전극과 액체 표본 사이의 안정한 전위를 형성하는 물질로 생산될 수 있다. 액체 표본이 ISF 표본인 환경에서, 제 1 위치 전극은 은/염화은(Ag/AgCl)으로 구성될 수 있다. An advantage of the arrangement of FIG. 9 is the reduced complexity achieved by using the first position electrode as a reference electrode for the position electrode and the
도 10은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에 사용되는, 또 다른 위치 전극, 미소-채널, 분석시료 센서 그리고 측정기로 이루어진 구성(450)의 개략도이다. 상기 구성(450)은, 제 1 위치 전극(452), 제 2 위치 전극(454) 그리고 제 3 위치 전극(456)을 각각 포함하고, 분석시료 센서(458), 전기적 임피던스 측정기(460), 타이머(462) 그리고 미소-채널(464)을 포함한다. 전기적 임피던스 측정기(460)는, 제 1 위치 전극, 제 2 위치 전극 그리고 제 3 위치 전극 중의 어느 둘 사이의 전기적 임피던스를 측정하도록 구성된다. 10 is a schematic diagram of a
상기 구성(450)은, 이 구성(450)이 세 개의 위치 전극을 포함한다는 점에서 다른 구성들(300, 400)과 다르다. 세 개의 위치 전극의 포함은, 미소-채널(464) 내부의 액체 표본의 정확한 위치와 유속을 탐지하는 개선된 능력을 제공한다. 예를 들면, 두 위치 전극의 사용은, 단일 볼러스(bolus)(즉, 두 위치 전극 사이의 미소-전극에서 유지된 체적)의 탐지를 가능하게 한다. 그러나, 세(혹은 그 이상) 개의 위치 전극의 사용은, 액체 표본이 세(혹은 그 이상) 개의 위치 전극을 순차적으로 통과할 경우 여러 볼러스의 탐지를 가능하게 한다. The
도 11은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는, 위치 전극, (메인 미소-채널과 두 개의 브랜치 미소-채널로 구성된)미소-채널, 분석시료 센서 그리고 측정기로 이루어진 구성(500)에 대한 개략도이다. 상기 구성 (500)은, 메인 미소-채널(502), 제 1 브랜치 미소-채널(504) 그리고 제 2 브랜치 미소- 채널(506)로 구성된 미소-채널을 포함한다. 또한 상기 구성(500)은, (메인 미소-채널(502)과 작동상 소통하는) 제 1 위치 전극, (제 1 브랜치 미소-채널과 작동상 소통하는) 제 2 위치 전극(510) 그리고 (제 2 브랜치 미소-채널(506)과 작동상 소통하는) 제 3 위치 전극을 포함한다. 11 is a configuration consisting of a position electrode, a micro-channel (consisting of a main micro-channel and two branch micro-channels), an analyte sensor and a meter, used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention. 500 is a schematic diagram. The
게다가, 상기 구성(500)은, (제 1 브랜치 미소-채널(504)과 작동상 소통하는) 제 1 분석시료 센서(514)와 (제 2 브랜치 미소-채널과 작동상 소통하는) 제 2 분석시료 센서(516), 측정기(518) 그리고 타이머(520)를 포함한다. 측정기(518)는, 제 1 위치 전극과, 제 2 위치 전극과 제 3 위치 전극 중 어느 하나 사이의 전기적 특성(즉, 임피던스)을 측정하도록 구성된다. In addition, the
상기 구성(500)을, 액체 표본을 메인 미소-채널(502)로부터 제 1 브랜치 미소-채널(504)과 제 2 브랜치 미소-채널(506) 중의 어느 하나로 각각 유도하기 위한 액체 처리 수단을 포함하는 장치에 사용하는 것이 고려된다. 성기 액체 처리 수단의 예는, 능동 밸브(active valve), 수동 밸브(passive valve), 모세관 브레이크(capillary break), 공기압 배리어(air pressure barrier) 그리고 소수성 패치(hydrophobic patch)를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.The
상기 구성(500)은, (제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이의 전기적 특성을 측정하기 위해 측정기(518)를 사용함으로써) 제 1 브랜치 미소-채널(504) 또는 (제 1 위치 전극과 제 3 위치 전극 사이의 전기적 특성을 측정하기 위해 측정기(518)를 사용함으로써) 제 2 브랜치 미소-채널(506)의 어느 하나에서 액체 표본의 위치를 탐지하도록 사용될 수 있다. 이러한 탐지(들)는, 제 1 분석시료 센서(514) 혹은 제 2 분석시료 센서(516) 중 어느 하나에 의해 액체 표본에서 액체 표본 유동 제어와 분석시료의 결정을 위해 사용될 수 있다. The
도 11은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는, 다른 위치 전극, (메인 미소-채널과 두 개의 브랜치 미소-채널로 구성된) 미소-채널, 분석시료 센서 그리고 측정기로 이루어진 구성(550)에 대한 개략도이다. 상기 구성(550)은, 메인 미소-채널(552), 제 1 브랜치 미소-채널(554)과 제 2 브랜치 미소-채널(556)으로 구성된 미소-채널을 포함한다. 또한 상기 구성(550)은 (제 브랜치 미소-채널(554)과 작동상 소통하는) 제 1 위치 전극(558), 제 2 위치 전극(560)을 포함하고, (제 2 브랜치 위치 미소-채널(556)과 작동상 소통하는) 제 3 위치 전극(562)과 제 4 위치 전극(564)을 포함한다.11 is a configuration consisting of a different position electrode, a micro-channel (composed of a main micro-channel and two branch micro-channels), an analyte sample sensor and a meter, used in an embodiment of a microfluidic analysis system according to the present invention Schematic diagram for 550. The
게다가, 상기 구성(550)은, (제 1 브랜치 미소-채널(554)과 작동상 소통하는) 제 1 분석시료 센서(566)와 (제 2 브랜치 미소-채널(556)과 작동상 소통하는) 제 2 분석시료 센서(568), 측정기(570), 타이머(572)를 포함한다. 측정기(570)는, 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 중의 어느 하나와, 제 3 위치 전극과 제 4 위치 전극 중의 어느 하나 사이의 전기적 특징(즉, 임피던스)을 측정하도록 구성된다. In addition, the
상기 구성(550)을, 액체 표본을 메인 미소-채널(552)로부터 제 1 브랜치 미소-채널(554)과 제 2 브랜치 미소-채널(556) 중의 어느 하나로 각각 유도하기 위한 액체 처리 수단을 포함하는 장치에 사용하는 것이 고려된다. 이러한 액체 처리 수단의 예는, 능동 밸브, 수동 밸브, 모세관 브레이크, 공기압 배리어 그리고 소수성 패치를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.The
상기 구성(550)은, (제 1 위치 전극(558)과 제 2 위치 전극 사이(560)의 전기적 특성을 측정하기 위해 측정기(570)를 사용함으로써) 제 1 브랜치 미소-채널(554) 또는 (제 1 위치 전극과 제 3 위치 전극 사이의 전기적 특성을 측정하기 위해 측정기(570)를 사용함으로써) 제 2 브랜치 미소-채널(556)의 어느 하나에서 액체 표본의 위치를 탐지하도록 사용될 수 있다. 이러한 탐지(들)는, 제 1 분석시료 센서(566) 혹은 제 2 분석시료 센서(568) 중 어느 하나에 의해 액체 표본에서 액체 표본 유동 제어와 분석시료의 결정을 위해 사용될 수 있다. 상기 구성(550)의 이점은, (제 3 위치 전극과 제 4 위치 전극뿐만 아니라) 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극이, 그들 사이의 높은 전기적 특성들(즉, 상대적으로 높은 임피던스)의 정확한 측정이 가능하도록 상대적으로 서로 근접해서 위치될 수 있다는 점이다.The
도 13은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는, 위치 전극, 미소-채널 그리고 측정기로 이루어진 구성(600)에 대한 개략도이다. 도 14는, 도 13의 구성(600)의 일부에 대한 등가 전기회로의 개략도이다.13 is a schematic diagram of a
상기 구성(600)은, 서로 깍지끼듯이 연결된 방식(interdigitated configuration)으로 이루어진 제 1 위치 전극(602)와 제 2 위치 전극(604)을 포함한다. 또한 상기 구성(600)은, 미소-채널(606)과 측정기(608)를 포함한다. 제 1 위치 전극(602)과 제 2 위치 전극(604)은, 서로 대체로 평행하게 그리고 교대하면서 연속적으로(즉, 도 13에 도시된 바와 같이 교대로 이루어진 "핑거형태" 방식으로) 배치된 다수의 전극부를 각각 구비한다. 설명을 위해, 제 1 위치 전극(602)과 제 2 위치 전극(604)의 네 개의 전극부(각각 602a, 604b)가 도 13에 도시되어 있다. 또한 깍지낀 형태의 전극부는 "핑거(finger)"로서 언급될 수 있다. The
본 발명의 실시예의 위치 전극과, 이들 사이의 간격은 적절한 크기로 이루어질 수 있다. 유리하게, 깍지낀 형태의 방식은, 상대적으로 작은 액체 표본의 전기적 특성을 측정가능하게 하는 크기(즉, 도 13의 Wg, We)로 사용될 수 있다. The position electrode of the embodiment of the present invention, and the gap therebetween can be made to an appropriate size. Advantageously, the interdigitated manner can be used in sizes (ie, W g , W e in FIG. 13) that enable measurable electrical properties of relatively small liquid samples.
상기 구성(600)에서, 각 "핑거"는, 예를 들면, 약 1 마이크로미터 내지 약 1500마이크로미터의 범위에 해당하는 폭 We를 독립적으로 갖는다. 전극 "핑거"(Wg)들 사이의 분리는, 예를 들면, 약 0.1 밀리미터와 약 15 밀리미터 사이의 범위에 존재할 수 있다. 위치 전극의 두께는 원하는 전류를 지지하기에 충분하다. 예시적 두께는, 예를 들면, 약 1 마이크로미터 내지는 약 100 마이크로미터의 범위가 될 수 있다. In the
상기 구성(600)과 같은 깍지낀 형태의 방식은, 미소-채널(606)을 통해 유동하는 액체 표본 볼러스를 감지하는데 사용될 수 있다. 이러한 볼러스는, 미소-채널(606)의 높이와 폭 그리고 거리 Wg로 한정된 (예를 들면 250 나노리터와 같이) 예정된 체적을 갖는다. 예를 들면, 미소-채널(606)이 약 250 미크론의 크기를 갖는 높이와 폭을 갖고, 넓이 We는 약 0.5 밀리미터가 되고 거리 Wg는 약 4 밀리미터가 된다면, 한 위치 전극(602)과 다른 위치 전극(604)의 임의의 핑거 사이의 공백을 메우는 어떠한 액체 표본이 없을 경우에 , 제 1 위치 전극(602)과 제 2 위치 전극(604) 사이의 저항은 원칙적으로 무한대가 된다. 그러나, ISF 액체 표본이, 제 1 위치 전극의 핑거와 제 2 위치 전극의 핑거 사이의 미소-채널(606)을 메우게(채우게) 된다면(도 13에서 물결모양의 선들로 도시된 환경), 측정된 전체 저항(R1)은 약 37 킬로옴의 액체 저항으로 감소한다. A chamfered approach, such as the
상기 구성(600)에서, 각 핑거의 저항(Re)은 최소한 약 10에 해당하는 계수로 상기 전체 저항(R1)보다 작게 된다. 미소-채널(606)이 추가적으로 액체 표본으로 채워질 때, 제 1 위치 전극(602)와 제 2 위치 전극(604) 사이의 측정된 전체 저항(RT)은 추가로 감소한다. 측정된 전체 저항(RT)에서의 감소는, 등식In the
상기 구성(600)은 Re가 R1보다 훨씬 작을 경우에 특히 유용하다. The
상기 구성(600)에서, 미소-채널(606)이, 단 한번 각 전극 핑거(602a)를 통과하고 있는(즉, 작동상 소통되고 있는) 상태로 도시되어 있다. 그러나, 미소-채널(606)은 대안적으로 곡선(serpentine) 구성을 가질 수 있어서, 미소-채널(606)은 다수에 걸쳐 각 전극 핑거(602a)를 통과할 수 있다. 이러한 구성은, 상대적으로 작은 액체 표본 체적(즉, 5 나노리터 이하의 액체 표본 체적)을 쉽게 해석할 수 있는 능력을 강화시킬 수 있다.In the
도 15는, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는, 위치 전극, 미소-채널 그리고 측정기로 이루어진 구성(650)에 대한 개략도이다. 도 16은, 도 15의 구성의 일부에 대한 등가 전기회로의 개략도이다.15 is a schematic diagram of a
상기 구성(650)은, 8 개의 "핑거"를 구비한 머리빗형태(comb-shaped)의 단일 위치 전극(652)과, 미소-채널(654) 그리고 측정기(656)를 포함한다. 전극 핑거(652a)는, (도 16에 도시된 바와 같이) 저항 Re을 갖는 전극 세그먼트(segment)를 핑거들 사이에 한정하는 역할을 한다. 도 16의 크기들 Wg, We이 이전 구성(600)에 대해 상기 기술한 바와 같을 수 있다는 점에 유의해야 한다.The
상기 8 개의 핑거들(652a) 중의 어느 것 사이의 미소-채널(654)에 어떠한 액체 표본도 존재하지 않을 경우, 위치 전극(652)의 측정된 전체 저항은, 각 전극 세그먼트 저항 Re (즉, 모든 전극 요소에 대한 저항)의 합이 된다. 그러나, 일단 액체 표본이 핑거들(652a) 사이의 미소-채널(654)을 채우게 되면, 측정된 전체 저항 RT은, R1이 Re에 평행하게 생성되기 때문에(도 16 참조) 감소한다. 상기 구성(650)에 대해, 각 전극 세그먼트 저항 Re이 R1보다, 양호하게는 10 이상의 계수로, 훨씬 크다는 점에 유의해야 한다. If there is no liquid sample in the micro-channel 654 between any of the eight
도 17은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템에 사용되는, 위치 전극, 미소-채널 그리고 측정기로 이루어진 구성(700)에 대한 개략도이다. 상기 구성(700)은, 곡선형 단일 위치 전극(702)과, 미소-채널(704), 측정기(706)를 포함한다.17 is a schematic diagram of a
도 16의 크기들 Wg, We이, 이전 구성(600)에 대해 상기 기술된 바와 동일할 수 있음에 유의해야 한다. It should be noted that the sizes W g , W e in FIG. 16 may be the same as described above for the
도 18은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는, 위치 전극, 미소-채널 그리고 측정기로 이루어진 구성(750)에 대한 개략도이다. 도 19는, 도 18의 구성(750)의 일부에 대한 등가 전기회로의 개략도이다.18 is a schematic diagram of a
상기 구성(750)은, 위치 전극(752), 미소-채널(754), 보조(bypass) 전극(756) 그리고 측정기(758)를 포함한다. 위치 전극(752)은, 8 개의 "핑거"(752a)를 가진 머리빗형태의 단일 위치 전극이다. 전극 핑거(752a)는, (도 10에 도시된 바와 같이) 저항 Re를 가진 전극 세그먼트를 그 전극 핑거들 사이에 한정하는 역할을 한다. 도 18의 크기 Wg, We가, 다른 구성(600)에 대해 상기 기술된 바와 동일할 수 있음에 유의해야 한다. The
액체 표본이 존재하지 않는 경우에, 보조 전극(756)은 전기적으로 부유된(floating) 상태가 된다. 그러나, 액체 표본이 두 연속된 전극 핑거(752a) 사이에 존재할 때, 보조 전극(756)은 도 19에 도시되고 저항 Rb로 특징지어지는 회로의 일부가 된다. In the absence of a liquid sample, the
상기 저항 Rb이 R1'(즉, 전극 핑거와 보조 전극 사이의 액체 표본의 저항)보다 훨씬 작다고 가정하면, 더 많은 전류가, 액체 표본보다는 보조 전극을 통해 흐를 것이다. 그러므로, 상기 구성(750)은, 보조 전극(756)은 도 19에 도시된 바와 같이 RT를 효과적으로 감소시키기 때문에 고저항 액체 표본과 결합하여 사용될 경우에 유리하다. 게다가, 일단 본 발명에 대해 알게 되면, 당업자는, 상대적으로 고저 항의 액체 표본의 존재할 경우에 측정된 전체 저항을 감소시키기 위해, 보조 전극이 위치 전극들 사이에 혹은 전극 핑거들 사이에 다양한 전극 구성(예를 들면, 도 7과 도 9 내지 도 13, 도 17의 구성)으로 유사하게 배치될 수 있음을 인식할 것이다. Assuming that the resistance R b is much smaller than R 1 '(ie, the resistance of the liquid sample between the electrode finger and the auxiliary electrode), more current will flow through the auxiliary electrode than the liquid sample. Therefore, the
도 20은, 본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템의 실시예에서 사용되는, 위치 전극, 미소-채널, 측정기로 이루어진 구성(800)에 대한 개략도이다. 상기 구성(800)은, 위치 전극(802), 미소-채널(804) 그리고 측정기(806)를 포함한다. 측정기(806)는, (도 20에 물결모양의 선들로 도시된) 액체 표본이 미소-채널(804)을 통과할 때, 위치 전극(802)의 연속적으로 변하는 전기적 특성을 측정하도록 구성된다.20 is a schematic diagram of a
실예Example
도 13과 유사한 깍지낀 형태의 구성이, 액체 표본으로서 인산염(phosphate) 완충용액을 사용하여 테스트되었다. 상기 구성의 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극은, 스크린 인쇄 기술을 이용하여 은/염화은으로 형성되었다. 게다가, 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극은, 4 밀리미터의 거리 Wg로 분리되었다.A shaved configuration similar to FIG. 13 was tested using phosphate buffer as a liquid sample. The 1st position electrode and the 2nd position electrode of the said structure were formed with silver / silver chloride using screen printing technique. In addition, the first position electrode and the second position electrode were separated by a distance W g of 4 millimeters.
0.25 MHz의 주파수, +/- 0.1 볼트의 진폭 그리고 0 볼트의 RMS를 가진 전위 파형이 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이에 가해졌다. 제 1 위치 전극과 제 2 위치 전극 사이의 결과 전류를 기초로 하여, 측정된 전체 저항(RT)과 측정된 어드미턴스가 계산되었다(AT=1/RT라는 점에 유의해야 함). 도 21은, 측정된 전체 어드미턴스 AT가, 연속된 액체 표본 볼러스가 상기 구성의 각 전극을 통과할 때, 선형으로 증가한다는 것을 나타낸다. A potential waveform with a frequency of 0.25 MHz, amplitude of +/- 0.1 volts and RMS of 0 volts was applied between the first and second position electrodes. Based on the resulting current between the first position electrode and the second position electrode, the measured total resistance R T and the measured admittance were calculated (note that A T = 1 / R T ). 21 shows that the measured total admittance A T increases linearly as a continuous liquid sample bolus passes through each electrode of the above configuration.
도 21은, 각 연속 볼러스가 어드미턴스 상의 변화로서 감지되었다는 것을 나타낸다. 그러므로, 볼러스는, 예를 들면, 측정된 임피던스 신호 대 신호의 도함수 상의 첨점(spike)을 감시함으로써 그 수를 계산할 수 있다. 21 shows that each successive bolus was detected as a change in admittance. Hence, the bolus can calculate the number by, for example, monitoring a spike on the measured impedance signal versus the derivative of the signal.
본 명세서에 기술된 본 발명에 대한 다양한 대안들이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 이어지는 청구항들은 본 발명의 범위를 한정하고, 이들 청구항의 범위 내의 구조와 그들의 등가물이 여기에 포함되는 것으로 의도된 것이다. It should be understood that various alternatives to the invention described herein may be used in the practice of the invention. The following claims define the scope of the invention and the structures within the scope of these claims and their equivalents are intended to be included herein.
본 발명에 따른 미세유체 분석 시스템은, 소량의 액체를 목표 지점으로부터 감시장치로, 제어된 유속으로 그리고 추출된 유체의 위치와 전체 유량에 대한 정보가 제공되는 방식으로 운반하게 하여, 상대적으로 소량의 액체 표본에 대해 정확하고 신뢰성 있는 제어를 가능하게 한다. The microfluidic analysis system according to the invention allows a relatively small amount of liquid to be conveyed from the target point to the monitoring device, at a controlled flow rate and in a manner in which information about the location and total flow rate of the extracted fluid is provided. It enables accurate and reliable control of liquid samples.
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